DE102008009216A1 - Apparatus and method for spatially high resolution imaging of a structure of a sample - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zum räumlich hochauflösenden Abbildunge einer Struktur einer Probe, insbesondere ein Mikroskop, charakterisiert durch ein beugungsbegrenztes Auflösungsvolumen, mit mehreren zwischen unterschiedlichen Zuständen umschaltbaren Farbstoffmolekülen (UF), wobei zumindest ein Zustand fluoreszierend ist, die Fluoreszenz mit einem Objektiv (O) gesammelt und mit einem optischen System auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet wird, wobei die UF in mindestens einem Teil der Probe eine Verteilungsdichte aufweisen, die größer ist als das Inverse des beugungsbegrenzten Auflösungsvolumens, eine oder mehrere Lichtquellen zur Aussendung einer Umschaltstrahlung, um eine erste Untermenge der UF in der Probe umzuschalten, und zur Aussendung einer Anregungsstrahlung, um die erste Untermenge der UF anzuregen, wobei mindestens eine der Lichtquellen derart angeordnet ist, dass sie die Probe durchstrahlt und eine Umschaltung und/oder Fluoreszenzanregung der UF in der Probe zumindest in einer Richtung annähernd senkrecht zur optischen Achse und insbesondere im Fokus des Objektivs (O) erfolgt, wobei vorteilhaft die Umschaltung eine Photoaktivierung oder -deaktivierung der UF ist und die Lichtquelle zur Umschaltung und/oder die Lichtquelle zur Anregung eine Fokussiereanordnung zur Erzeugung eines in Richtung der Beleuchtung ausgedehnten, zumindest in einer Richtung zumindest annähernd senkrecht zur optischen Achse des Objektivs linienartigen ...Apparatus and method for spatially high-resolution imaging of a structure of a sample, in particular a microscope, characterized by a diffraction-limited resolution volume, with a plurality of switchable between different states dye molecules (UF), wherein at least one state is fluorescent, the fluorescence with a lens (O) collected and is imaged onto a spatially resolving detector with an optical system, wherein the UF in at least a portion of the sample has a distribution density greater than the inverse of the diffraction limited resolution volume, one or more light sources to emit a switching radiation to form a first subset of the UF in to switch the sample, and to emit an excitation radiation to excite the first subset of the UF, wherein at least one of the light sources is arranged so as to irradiate the sample and a switching and / or fluorescence excitation of the UF in the sample at least in one direction approximately perpendicular to the optical axis and in particular in the focus of the objective (O), wherein advantageously the switching is a photoactivation or deactivation of the UF and the light source for switching and / or the light source for excitation a focusing device for generating a in Direction of the illumination extended, at least in one direction at least approximately perpendicular to the optical axis of the lens line-like ...
Description
Stand der TechnikState of the art
Die sogenannte SPIM-Technologie (Selective-Plane-Illumination-Microscopy) ist beispielsweise in Stelzer et al. [1–4] als Mikroskopie-Verfahren beschrieben worden:
- [1]
Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006). - [2]
Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004). - [3]
DE 102 57 423 A1 - [4]
WO 2004/0530558 A1
- [1]
Stelzer et al., Optics Letters 31, 1477 (2006). - [2]
Stelzer et al., Science 305, 1007 (2004). - [3]
DE 102 57 423 A1 - [4]
WO 2004/0530558 A1
Wie die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie erlaubt SPIM als Weitfeldtechnik die Aufnahme von 3D-Objekten in Form optischer Schnitte, wobei die Vorteile vor allem in der Geschwindigkeit, dem geringen Ausbleichen der Probe sowie einer erweiterten Eindringtiefe zu suchen sind. In der Regel werden hierzu Fluorophore in der Probe mit Laserlicht in Form eines Lichtblattes angeregt. Das Lichtblatt kann durch die Probe gescannt werden.As confocal laser scanning microscopy allows SPIM as a widefield technique the inclusion of 3D objects in the form of optical sections, the Advantages above all in the speed, the small fading the sample as well as an extended penetration depth are to be sought. As a rule, fluorophores in the sample are irradiated with laser light stimulated in the form of a light sheet. The light sheet can through the Sample will be scanned.
Durch die (rechnerische) Kombination von Bildern, die aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen wurden, lässt sich eine kugelförmige PSF erzeugen. Deren Ausdehnung ist in der Regel durch die laterale Auflösung des verwendeten Detektionsobjektivs bestimmt, welche insgesamt die erreichbare optische Auflösung im herkömmlichen SPIM-Verfahren beschränkt.By the (computational) combination of images that come from different Angles are recorded, can be a spherical Create PSF. Their extension is usually through the lateral Resolution of the detection objective used determines which overall the achievable optical resolution in the limited to conventional SPIM method.
In
In
Das
PALM-Verfahren so wie in
- 1.) Photoaktivierung von Einzelmolekülen: Durch die Aktivierung werden die Fluoreszenzeigenschaften der Moleküle geändert (Ein-/Ausschalten, Änderung des Emissionsspektrum, ...), wobei die Aktivierung so erfolgt, dass der Abstand zwischen aktivierten Molekülen größer gleich der optischen Auflösung des Standardmikroskops (gegeben durch Abbesches Auflösungsgrenze) ist.
- 2.) Anregung der aktivierten Moleküle und Lokalisieren der Moleküle mit einem ortsauflösenden Detektor.
- 3.) Deaktivieren der aktivierten Moleküle.
- 4.) Wiederholung der Schritte 1–3 und Überlagerung der Lokalisationspunkte aus Schritt 2.), die aus verschiedenen Iterationschritten gewonnen wurden zu einem hochaufgelösten Bild.
- 1.) Photoactivation of single molecules: Activation changes the fluorescence properties of the molecules (switching on / off, changing the emission spectrum, ...), whereby the activation takes place so that the distance between activated molecules is greater than or equal to the optical resolution of the standard microscope (given by Abbe's resolution limit).
- 2.) excitation of the activated molecules and localization of the molecules with a spatially resolving detector.
- 3.) deactivating the activated molecules.
- 4.) Repeat steps 1-3 and overlay the localization points from step 2.), obtained from different iterations to a high-resolution image.
Die
Aktivierung erfolgt vorzugsweise in Weitfeldbeleuchtung und statistisch
verteilt. Durch die Wahl der Aktivierungsenergie wird versucht,
zu erreichen, dass möglichst wenige/keine Moleküle
(1) mit überlappenden Beugungsscheibchen (2) auf der Kamera
entstehen (siehe
Die Anwendung des PALM-Verfahrens in der 3D-Abbildung bereitet Schwierigkeiten, da auch Moleküle außerhalb der Fokusebene aktiviert und damit geblichen werden, ohne dass ihr Fluoreszenzlicht bei der Bildgebung ausgenutzt werden könnte. Vor allem wird bei biologischen Proben im gesamten Fokuskegel Autofluoreszenzlicht angeregt, welches als Störsignal zu werten ist und den Kontrast extrem herabsetzt.The Application of the PALM method in 3D imaging presents difficulties as well as activating molecules outside the focal plane and be bleached without their fluorescent light in the Imaging could be exploited. Above all, will be at biological samples throughout the focus cone autofluorescent light stimulated, which is to be regarded as an interference signal and the Extremely low contrast.
Hierdurch wird die Aufnahme eines z-Scan verhindert, so dass keine 3D-Abbildung der Probe gewonnen werden kann.hereby The recording of a z-scan is prevented, so no 3D image the sample can be obtained.
Zur
Vermeidung der Photoaktivierung und störender Autofluoreszenz
außerhalb der Fokusebene wird in der
Eine weitere eingesetzte Methode zur Vermeidung des Autofluoreszenz-Problems ist die Kombination des PALM-Verfahrens mit der TIRF-Technologie, wo das Anregungsvolumen in z-Richtung aufgrund der Beschränkung auf evaneszenten Wellen sehr klein gehalten wird. Mit TIRF ist allerdings keine 3D-Bildgebung machbar.Another method used to avoid the autofluorescence problem is the Kom Combination of the PALM method with the TIRF technology, where the excitation volume in the z-direction is kept very small due to the restriction to evanescent waves. With TIRF, however, no 3D imaging is feasible.
PALM
bietet prinzipiell durch die ortsaufgelöste Detektion zunächst
nur eine Verbesserung der lateralen Auflösung. Die axiale
Auflösung ist in erster Linie durch die Ausdehnung der
verwendeten Detektions-PSF bestimmt. Dies ist ein weiterer Grund
für die Kombination von PALM mit der TIRF-Technologie,
die eine hohe axiale Auflösung bietet (siehe auch
Neben PALM sind andere auflösungssteigernde Verfahren bekannt, in denen die Probe so beleuchtet wird, dass eine durch Fluoreszenz detektierbare Region entsteht, die kleiner ist, als es dem Beugungslimit nach Abbe entspricht.Next PALM, other resolution-enhancing methods are known, in which the sample is illuminated so that one by fluorescence Detectable region arises, which is smaller than the diffraction limit according to Abbe.
Dies gelingt durch eine nichtlineare Wechselwirkung nach verschiedenen Verfahren:
- • Abregung zuvor angeregte
Moleküle durch stimulierte Emission (
)STED, Klar and Hell, Opt. Lett. 24 (1999) 954–956 - • Abregung zuvor angeregte Moleküle durch
Weiteranregung in einen höheren nicht fluoreszenzfähigen
Zustand (
)Excited State Absorption, Watanabe et al., Optics Express 11 (2003) 3271 - • Entvölkerung des Grundzustandes durch Tripletbesetzung
(
)Ground State Depletion, Hell and Kroug, Appl. Phys. B 60 (1995), 495–497 - • Schalten eines Farbstoffs zwischen einem fluoreszierenden
und nicht fluoreszierenden, weniger fluoreszierenden oder anders
(wie andere Emissionswellenlänge, Polarisation) gekennzeichneten fluoreszierenden
Zustand (
)Hell, Jakobs, and Kastrup, Appl. Phys. A 77 (2003) 859–860
- Depletion of previously stimulated molecules by stimulated emission (
)STED, clear and bright, Opt. Lett. 24 (1999) 954-956 - Depletion of previously excited molecules by further excitation to a higher non-fluorescent state (
)Excited State Absorption, Watanabe et al., Optics Express 11 (2003) 3271 - • depopulation of the ground state by triplet occupation (
)Ground State Depletion, Hell and Kroug, Appl. Phys. B 60 (1995), 495-497 - Switching a dye between a fluorescent and non-fluorescent, less fluorescent or otherwise (like other emission wavelength, polarization) marked fluorescent state (
)Hell, Jakobs, and Kastrup, Appl. Phys. A 77 (2003) 859-860
In der Regel handelt es sich dabei um punktscannende Verfahren, die Nachteile hinsichtlich einer schnellen Datenaufnahme bieten. Zudem wird die Probe in außerfokalen Bereichen unnötig belastet.In usually these are point-scanning methods that Disadvantages in terms of a fast data recording offer. moreover the sample becomes unnecessary in extra-focal areas loaded.
Gegenstand und Darstellung der ErfindungObject and presentation the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren zu vermeiden. Die Erfindung beschreibt Verfahren und Anordnung zur Realisierung eines PALM-Mikroskopes mit optimierter Photoaktivierung zur Realisierung einer höheren Bildrate. Gegenüber PALM wird eine Hochauflösung mit 3D-Bildgebung ohne nichtlineare Photoaktivierung erzielt. Eine PALM-TIRF-Kombination zur Reduktion der außerfokalen Autofluoreszenz ist nicht erforderlich.task The invention is the disadvantages of the methods described above to avoid. The invention describes methods and arrangement for Realization of a PALM microscope with optimized photoactivation to realize a higher frame rate. Across from PALM will be a high resolution 3D imaging with no nonlinear Photoactivation achieved. A PALM TIRF combination for reduction the extra-focal autofluorescence is not required.
Es kann die vorteilhafte Verwendung des MultiView-Verfahrens (mehrere Beleuchtungswinkel auf der Probe) zur Erzielung einer erhöhten Eindringtiefe und einer isotropen optischen Auslösung in x, y, z erfolgen.It can the beneficial use of the MultiView method (several Illumination angle on the sample) to achieve an increased Penetration depth and an isotropic optical release in x, y, z take place.
Es
erfolgt eine Aktivierung entsprechend
Hierdurch wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit des PALM-Verfahrens und eine Reduktion der Anzahl der Einzelbilder erreicht.hereby will increase the speed of the PALM process and achieved a reduction in the number of frames.
Die
erfindungsgemäßen Anordnungen und ihre Wirkungen
sowie Vorteile werden anhand der
Oberhalb der Probe befindet sich ein Objektiv O eines Mikroskopes, beispielsweise eines Weitfeldmikroskopes mit einer CCD Kamera, eines Laser-Scanning-Mikroskopes oder eines Mikroskops mit strukturierter Beleuchtung.Above The sample is an objective O of a microscope, for example a wide-field microscope with a CCD camera, a laser scanning microscope or a microscope with structured illumination.
Durch
das seitlich in die Probe eingestrahltes Lichtblatt LB in Form des
SPIM-Lichtblattes, das im Wesentlichen genau in der Fokusebene (F)
des Objektivs O liegt, erfolgt in
Die Breite des Lichtstrahls zur Photoaktivierung, d. h. seine Ausdehnung in z-Richtung, ist so angepasst, dass sie vorteilhaft kleiner oder gleich der durch die numerische Apertur des Objektivs O gegebenen axialen Ausdehnung der PSF ist. Hierdurch wird vorteilhaft vermieden, dass Fluoreszenzmoleküle außerhalb der Fokusebene aktiviert und geblichen werden. Zusätzlich kann eine Fluoreszenz nur noch aus dieser durch den Aktivierungsstrahl definierten Ebene kommen. Somit ist diese Anordnung inhärent 3D auflösend.The Width of the light beam for photoactivation, d. H. its extension in z-direction, is adapted so that it is advantageously smaller or equal to that given by the numerical aperture of the objective O. axial extent of the PSF. This advantageously prevents that fluorescence molecules outside the focal plane be activated and blanched. In addition, a fluorescence only from this plane defined by the activation beam come. Thus, this arrangement is inherently 3D-resolving.
Die Detektion erfolgt mit herkömmlichen Mitteln, wie beispielsweise durch klassische Weitfeldmikroskopie, konfokale Mikroskopie oder strukturierte Beleuchtung (ZEISS APOTOM).The Detection takes place by conventional means, such as by classical wide field microscopy, confocal microscopy or structured lighting (ZEISS APOTOM).
Allerdings
besteht hier das Problem, dass der Anregungsstrahl über
den gesamten Probenraum Autofluoreszenz anzuregen vermag. Dies kann dadurch
verhindert werden, in
Es ist weiterhin eine Anordnung denkbar, in der die Photoaktivierung über das Objektiv O. und die Fluoreszenzanregung über das seitlich eingestrahlte Lichtblatt O2 erfolgt. Das Objektiv O dient weiterhin zur Detektion. Auch hier wird außerfokales Autofluoreszenzlicht vermieden. Außerfokale Autofluoreszenz, welche durch den Aktivierungsstrahl generiert wird, lässt sich spektral, insbesondere aber auch zeitlich (die Fluoreszenzanregung erfolgt nach der Aktivierung) von dem eigentlich interessierenden Fluoreszenzsignal separieren.It Furthermore, an arrangement is conceivable in which the photoactivation via the lens O. and the fluorescence excitation via the side irradiated light sheet O2 takes place. The lens O is still used for Detection. Here, too, becomes extra-focal autofluorescent light avoided. Extra-focal autofluorescence, which is caused by the Activation beam is generated, can be spectrally, but especially in time (the fluorescence excitation occurs after activation) of the fluorescence signal of interest separate.
Ein Problem stellt bei dieser Methode die Generierung von außerfokal aktivierten Molekülen dar. Es ist daher bei dieser Methode vorteilhaft, Moleküle einzusetzen, die sich nach der Aufnahme einer Bildebene über den gesamten Probenbereich z. B. durch eine Weitlichtbeleuchtung deaktivieren lassen.One Problem with this method is the generation of non-focal It is therefore in this method advantageous to use molecules that are absorbed after recording an image plane over the entire sample area z. B. by a Deactivate far-light illumination.
Die
Aufnahme des hochaufgelösten Bildes erfolgt für
die erfindungsgemäßen Anordnungen wie in
In
Bei
Verwendung von 2 Strahlen entsteht durch Interferenz eine streifenförmige,
in x und z lokalisierte Aktivierung. Bei Einstrahlung von mehr als zwei,
vorteilhaft drei Lichtblättern LB 1 bis LB 3 (120° Winkel)
entsteht wie in
Die
Fluoreszenzanregung aus Richtung O in
Weiterhin kann die Photoaktivierung über das Objektiv O. erfolgen und die Fluoreszenzanregung mit mehreren Lichtscheibenstrahlen realisiert werden, die ein Interferenzmuster der oben beschriebenen Art ausbilden. Moleküle, die mit sich überlappenden Beugungsscheibchen aktiviert wurden, werden so unterschiedlich stark angeregt. Auch auf diese Weise werden Lücken im Kamerabild vermieden. Durch den Aktivierungsstrahl generierte Autofluoreszenz lässt sich zeitlich und/oder spektral separieren. Nach der Aufnahme einer Ebene muss für 3D-Aufnahmen eine Deaktivierung über den Probenbereich erfolgen.Farther photoactivation can be done via the lens O. and the fluorescence excitation can be realized with a plurality of light disk beams, which form an interference pattern of the type described above. Molecules with overlapping diffraction slices activated, are stimulated to different degrees. Also In this way, gaps in the camera image are avoided. By the activation beam generated autofluorescence leaves Separate temporally and / or spectrally. After taking a Layer needs to be disabled for 3D shooting take place the sample area.
Erfolgt
die Photoaktivierung durch das Objektiv O, so kann die strukturierte
Aktivierung auch durch eine spezielle Abbildung (z. B. eines Gitters – wie
oben beschrieben) oder durch einen Scan-Mechanismus realisiert werden.
Der Lichtstrahl kann hierzu beispielsweise das Bildfeld abtasten
und wird in seiner Intensität während der Bewegung
durch beispielsweise einen schnellen AOTF so verändert, dass
ein Aktivierungsmuster beispielsweise entsprechend
Der Photoaktivierungs- und Fluoreszenzanregungsstrahl können hierbei vertauscht werden. Dies hat den Vorteil, dass außerhalb der Fokusebene keine Photoaktivierung geschieht. Dazu kann die Aktivierung unstrukturiert über das Lichtblatt und die Anregung auf die PSF abgestimmt strukturiert über das Objektiv durchgeführt werden. Moleküle, die mit sich überlappenden Beugungsscheibchen aktiviert wurden, werden so unterschiedlich stark angeregt. Auch auf diese Weise können Lücken im Kamerabild vermieden werden. Allerdings besteht hier das Problem der außerfokalen Autofluoreszenz.Of the Photoactivation and fluorescence excitation beam can be exchanged here. This has the advantage of being outside the focal plane no photoactivation happens. This can be the activation unstructured over the light sheet and the excitation on the PSF matched structured over the lens performed become. Molecules with overlapping diffraction slices activated, are stimulated to different degrees. On too this way, gaps in the camera image can be avoided become. However, there is the problem of the extra-foci Autofluorescence.
Ein Problem bei allen beschriebenen Varianten stellt die axiale Auflösung dar, die im SPIM-Verfahren generell durch die Breite des verwendeten Lichtblattes bestimmt ist. Da die zu dessen Erzeugung verwendete NA in der Regel sehr viel kleiner als die NA des Detektionsobjektivs ist, ergibt sich direkt das Problem einer stark elongierten System-PSF (laterale Ausdehnung bestimmt durch die Auflösung des PALM-Verfahrens (Nanometer-Bereich), axiale Ausdehnung bestimmt durch die Lichtblattbreite (Micrometer-Bereich). Dies bereitet Nachteile bei der 3D-Abbildung. Mit Hilfe der aus dem Stand der Technik bekannten Multiview-Technik (Aufnahme von Stapeln aus unterschiedlichen Winkeln) kann dieses Problem umgangen werden und eine effektive, weitgehend homogene räumliche Auflösung entsprechend der lateralen PALM-Auflösung erzeugt werden.One Problem with all variants described is the axial resolution in the SPIM process generally by the width of the light sheet used is determined. As the NA used to generate it usually much smaller than the NA of the detection lens is directly address the problem of a highly elongated system PSF (lateral Extension determined by the resolution of the PALM method (Nanometer range), axial extent determined by the leaf width (Micrometer range). This causes disadvantages in 3D imaging. With the help of known from the prior art multiview technology (Picking up stacks from different angles) may cause this problem be bypassed and an effective, largely homogeneous spatial Resolution according to the lateral PALM resolution be generated.
Als
besonders vorteilhaft erweist sich, wenn die photoaktivierten Moleküle
in den Randbereichen des zur Aktivierung verwendeten Lichtblattes
durch ein weiteres strukturiertes Lichtblatt im Sinne einer nichtlinearen
Wechselwirkung wieder deaktiviert werden, um eine höhere
z-Auflösung zu erzielen. Dies kann durch eines der oben
beschriebenen Verfahren, vorzugsweise einen Schaltprozess geschehen.
Als Deaktivierungsstrahl kann ebenfalls ein Lichtblatt verwendet
werden, dass aber so strukturiert ist, dass es in der Fokusebene über
den Bereich des zu beobachtenden Bildbereichs eine Nullstelle aufweist,
wie in
Die
Probe ist beispielsweise mit Dronpa markiert und kann über
405 nm angeschaltet (aktiviert) werden und mit 488 nm angeregt bzw.
wieder ausgeschaltet werden. Die Laser (
Ein
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